Miniaturisierte organische Halbleiter ermöglichen flexible Elektronik der nächsten Generation

Feldeffekttransistoren (FET) sind die Kernbausteine moderner Elektronik wie integrierter Schaltungen, Computer-CPUs und Display-Hintergrundbeleuchtungen. Organische Feldeffekttransistoren (OFETs) bieten im Vergleich zu anorganischen Pendants wie Silizium den Vorteil der Flexibilität.

Dank ihrer hohen Empfindlichkeit, mechanischen Flexibilität, Biokompatibilität, einstellbaren Eigenschaften und niedrigen Fertigungskosten haben OFETs großes Potenzial für neue Anwendungen wie tragbare Elektronik, konforme Gesundheitsüberwachungssensoren und biegsame Displays. Stellen Sie sich Fernsehbildschirme vor, die sich aufrollen lassen; oder intelligente Wearables und Kleidung, die nah am Körper getragen werden, um vitale Körpersignale für sofortiges Biofeedback zu erfassen; oder Mini-Roboter aus harmlosen organischen Materialien, die im Körper für Krankheitsdiagnose, gezielten Medikamententransport, minimalinvasive Eingriffe und andere medizinische Anwendungen arbeiten.

Bisher war die Hauptbegrenzung für verbesserte Leistung und Massenproduktion von OFETs die Schwierigkeit ihrer Miniaturisierung. Aktuell auf dem Markt erhältliche Produkte mit OFETs sind in puncto Flexibilität und Haltbarkeit eingeschränkt.

Ein Ingenieurteam unter der Leitung von Dr. Paddy Chan Kwok Leung am Department of Mechanical Engineering der Universität Hongkong (HKU) hat einen wichtigen Durchbruch bei der Entwicklung eines versetzt strukturierten Monolagen-OFETs erzielt, der die Verkleinerung von OFETs erheblich erleichtern wird.

Das Hauptproblem bei der Verkleinerung von OFETs ist, dass die Transistorleistung mit abnehmender Größe stark abnimmt. Dies liegt teils am Kontaktwiderstand – Widerstand an den Grenzflächen –, der den Stromfluss behindert. Wird das Gerät kleiner, wird der Kontaktwiderstand zum dominierenden Faktor, der die Leistung erheblich verschlechtert.

Die versetzt strukturierten Monolagen-OFETs weisen einen rekordniedrigen normierten Kontaktwiderstand von 40 Ω·cm auf, im Vergleich zu konventionellen Geräten mit 1000 Ω·cm. Das neue Bauelement spart 96 % der Leistungsverluste an der Grenzfläche, reduziert somit die Wärmeentwicklung – ein häufiges Problem, das Halbleiter zum Ausfall bringt. Dadurch können OFETs auf den Sub-Mikrometer-Maßstab verkleinert werden, ein Niveau, das mit anorganischen Pendants vergleichbar ist, während sie ihre einzigartigen organischen Eigenschaften beibehalten. „Das ist entscheidend für die Erfüllung der Anforderungen an die Kommerzialisierung“, so Dr. Chan.

Diese OFETs verfügen zudem über ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis, was die Detektion schwacher Signale ermöglicht, die mit konventionellen bloßen Elektroden zuvor nicht erfassbar waren.

Flexible OFETs könnten herkömmliche starre Geräte wie Display-Panels, Computer und Handys transformieren und sie flexibel und faltbar machen. Diese zukünftigen Geräte wären zudem deutlich leichter und günstiger in der Produktion.

„Zudem sind sie aufgrund ihrer organischen Natur wahrscheinlich biokompatibel für fortgeschrittene medizinische Anwendungen wie Sensoren zur Verfolgung von Gehirnaktivität oder neuronalen Spikes sowie zur präzisen Diagnose hirnbezogener Erkrankungen wie Epilepsie“, fügt Dr. Chan hinzu.

Dr. Chans Team arbeitet derzeit mit Forschern der Medizinischen Fakultät der HKU und Biomedizintechnik-Experten der CityU zusammen, um die miniaturisierten OFETs in eine flexible Schaltung auf einer Polymer-Mikrosonde für die in-vivo-Erkennung neuronaler Spikes im Mausgehirn unter verschiedenen externen Stimulationen zu integrieren. Zudem planen sie, die OFETs in chirurgische Werkzeuge wie Katheter zu integrieren, die in Tiergehirne eingeführt werden können, um Gehirnaktivität direkt zu erfassen und Anomalien zu lokalisieren.